爱环境--水泥窑协同处置--危废--污泥

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

“解谜”HiROS热化学法污泥高速堆肥工艺 (2011-09-23 21:50:22)

2012-4-15 22:00| 发布者: admin| 查看: 4178| 评论: 2

摘要: 一、背景 中国水网2011年9月22日刊登了一篇题为“强强联合 绿创集团预迎600亿污泥市场”的软广告文。文章称: “中国水网上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司上海市城投污水处理有限公司联合主办的‘2011(第三 ...

 

一、背景

中国水网2011922日刊登了一篇题为“强强联合 绿创集团预迎600亿污泥市场”的软广告文。文章称:

“中国水网&上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司&上海市城投污水处理有限公司联合主办的‘2011(第三届)上海水业热点论坛’刚刚落下帷幕,北京绿创环保集团董事长姜鹏明先生对污泥处置新技术——HiROSHigh-rate Recovery Organic Solid-wastes)污泥资源化处理处置工艺及装备”的介绍让与会者耳目一新。

 “据悉,在前不久建设部住房和城乡建设部的评估中,专家评估委员会也非常认可该技术,认为其‘在污泥部分湿式氧化和活化膨化方面具有创新性,成套装备水平达到国内领先,具有推广应用价值’。

HiROS污泥资源化处理处置工艺及装备是由北京绿创生态科技有限公司主持研发的一种原创性污泥处理处置工艺技术和设备,目前在昌平南口污水处理中心的示范工程应用表明,工艺运行稳定、安全,效果良好。该技术和设备针对城市污水处理厂的污泥处置难题,使用机械热化学稳定及活化法,仅用1小时可将污泥中的各类有机废弃物转化为高持水、持肥的有机肥或复混肥,主要应用于城市污水处理厂污泥的处理处置,解决因干化焚烧、微生物(好氧或厌氧)发酵等传统技术带来的不良环境和社会问题;

在专家组的评审中,专家们认可了该工艺由多个物化处理单元组成,在高速稳定单元内,通过一定的温度、压力和氧化剂作用,将污泥中的有机物部分化学氧化;在活化和膨化处理单元,通过加入活化剂,将含有难降解木质素、纤维素的污泥膨化;并在稳定和活化等过程中高温杀灭病原菌,脱水混合后制成肥基,最终实现污泥处理处置和资源化。

对于重金属、病原菌等公众质疑的影响制肥的因素中,专家组认定,“该工艺处理时间短,污泥经设备处理后,病原菌完全灭活,含水率降低到45%以下,重金属浓度满足《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》CJ/T309-2009要求”。

住房和城乡建设部的科技成果评估意见表明,该项目从工艺路线到工程实践均得到了国内顶尖专家的认可,是目前污泥处理处置的最佳工艺路线之一。面对该技术和设备未来的发展前景,绿创公司计划与国内外大型水务企业、工程公司、设计院展开强强联合的态势,携手迎接“十二五”期间的600亿污泥市场”。

 

“十二五”眼看已过了一年,600亿污泥处理处置的大单还是“只听楼梯响,不见人下来”,但各路英雄豪杰都已在磨刀霍霍、摩拳擦掌地做热身准备了,各种技术都在做示范工程,都在申报专利,都在和科研院所、上市公司搞合纵连横,一时间市场上显得热闹非凡。一个普遍的特点是,这些技术不论是真的、假的,都在找权威部门进行所谓科技成果的评估、认证、鉴定,因为凭类似部委级别的鉴定证书,可能搞来更多的钱和运作更多的项目。企业求发展,按市场规则办事,本无可厚非。送审企业保密工作还都做得很好,即便是对评审专家一般也是不会透露真实技术内容的。再说,一种新技术、新原理,对某些专家恐怕一时半会儿也很难了解清楚,评审结论的可靠性恐怕多少会打些折扣。一些在工艺原理上准备充分的厂商,通过评审也就不是什么难事。不过,有些技术在推出之际,大打专家牌,打到有些失真的地步,就可能有些误导的成分了。

 “有机质高速回收技术”(英文缩写HiROS)可能就是这样一个比较有代表性的例子。

笔者几个月前在某次展会上就看到了这个技术,当时它展出了一个十分复杂的缩微模型,想请展商解释一下流程,回答是“这得问我们的博士”。在这博士越来越不值钱的时代,这一回答让我算是记住了这家企业。之后多次看到其宣传材料,话都说得很大、很满,比如“世界级原创技术”、“解决因干化焚烧、微生物(好氧或厌氧)发酵等传统技术带来的不良环境和社会问题”、“第四次产业革命-绿色发动机”等,相信大多数搞干化焚烧、厌氧发酵的朋友看到类似宣传,都会不以为然的。

这项技术的推广中,有一个很奇怪的特点:基本没有量的概念,但不乏哲学思辨的意味。比如他们提出的所谓“处置判定三原则:一致性匹配、能级稳定、资源轮回最短”的说法。如果想抬杠,这三个“原则”都可以找出反例,比如“资源轮回最短”,本意是说,污泥是因人类消费土地种植产物而产生的,最终还是回到土地最短,而不要做建材。但要贯彻“最短”原则,餐厨垃圾喂猪或精炼地沟油回餐桌似乎比土地利用更短,但能行吗?恐怕不行。再如“能级稳定”,本意是说污泥有能量可以利用,但改变了能级(如厌氧发电),就会耗能更多,因此不值得。笔者怀疑说这话的人是否真的了解厌氧,或者是否真的了解自己的这套工艺到底耗能多少。说到底,这些所谓的“原则”,无非是在给所主张的堆肥寻找一些漂亮的说法,并借机攻击一下干化焚烧和厌氧处理等竞争工艺而已。

鉴于这种技术也是刚刚开发,除了一个中试装置外,尚没有实际项目的运行数据可供研究,笔者本不打算对此技术说三道四。但看到这种宣传态势,还是多少激发了我的好奇心。这篇的题目叫做“解谜”,意思是说,由于没有厂家公布的工程技术信息,笔者只能从类似技术和有限的信息、资料中大致推测工艺原理、参数和运行结果,结论不一定正确。事实究竟怎样,还需要读者自行深入了解和判断,本文只是一种基于假设的技术探讨,供好事者学习研究之用,错误在所难免,幸勿引为依据,不小心扼杀了真正的“创新”。

 

 

二、理论研判

       研究这种工艺,可供参考的只有一篇专利文献:申请号为200910131605.3的中国专利《一种高速堆肥法及装置》,申请日期2009410日,发明人吕正雄。发明者还在2011127日申请注册了一个美国专利,内容相同。

       初读此文,你可能会被发明者的旁征博引、学识渊博所折服。里面光添加剂就有七、八类,分别是:氧化剂、松软剂、活化剂、湿润剂、键离剂、萃取剂、亲水剂、抗氧化剂……等等,每类下各列举有数种乃至十数种不同的化学药剂,读来光怪陆离,令人眼花缭乱,目不暇接。估计非化学专业毕业的,多少会被这些术语弄得心存畏惧,知难而退。

       但读过两三遍,特别是注意有关工程化内容的描述时就会发现,发明人可能更多的是在化学理论上有充分准备,但在工程措施方面,与业内实际相比,还有较大差距,有诸多可商榷之处。

 

1、  关于基本原理

这种工艺的基本原理其实就是热水解。说它是“高速堆肥”也好,“湿式氧化”也好,或者“热化学反应”也好,真正分析下来,其实只有“热水解”三字。

它与其它热水解工艺的不同之处有以下几个:

1)  热水解分为两段(有没有用另说),第一段是所谓高温高压的“稳定化”,第二段是次高温高压的所谓“活化”;

2)  大量采用化学药剂,尤其是氧化作用,即“部分湿式氧化”;

3)  给热形式采用了电加热和间接加热两种形式;

 

2、  关于“部分湿式氧化”

该工艺强调它不同于一般热水解之处在于有“湿式氧化”过程,尽管为之特别加上了“部分”的定语。由于有湿式氧化,因此,在达到一定温度时,废弃物中的有机质分解产生能量,这部分能量可以做到自续、自持。

专利提出,“在反应釜内加入1-6ppm溶氧当量的氧化剂”,在活化釜内“加入2-4ppm溶氧当量的氧化剂”。

笔者恰好曾经近距离了解过一个国外的湿式氧化实例,这应该也是世界上唯一一个已经工业化的中温湿式氧化技术(200-260度,3.0-5.5 MPa),目前已有4-5个业绩。威立雅的Athos工艺,是在235度、4.4 MPa下,采用纯氧对污泥进行处理,最高可实现污泥有机份减量率99%。其供氧浓度在50000ppm以上,氧气有效反应率只有56%

相差万倍的溶氧当量,还能否算是“湿式氧化”,哪怕是“部分”的,各人见地不同,就这个问题进行简单争论似乎是没有意义的,关键还在了解机理。

美国SlurryCarb工艺也有一定量的二氧化碳气体产生(参考《污泥间接加热型热水解工艺的热平衡与成本浅析》),这说明它要么是存在氧化现象,要么是在水解过程中一些大分子断裂而形成的。EnerTech专利将其技术命名为“碳化”,意在强调所获得的产品中氧含量明显减少,因此热值相应提高。从总能量平衡看,如果假设氧化现象存在,则会造成最终产品的热值大幅度减少。但从SlurryCarb工艺的专利和资料看,二氧化碳气体产生的原因均全部明确指向了后者,即在无供氧条件下,二氧化碳气体从大分子中逸出是水解造成的,并不存在明显的氧化。即便有氧化,限于供氧条件,其数量也会极小,在能量自续上的贡献也就微乎其微。

 

3、  关于“放热反应”

专利提出,“本高速稳定工艺为发热反应。若反应温度维持在140°C以上而一般可降解的有机物含量大于5%,或稀释后之进料每升含大于约200大卡的热量,反应便可自动进行而不需额外的能源需求”。

这是一个十分有趣的命题,如果不实际算一下,实在无从判断其真假。而要计算,有两条路,一是按照发明人的建议,采用杜隆公式,进行简单估算。二是根据有机物构成及其氧化率,一步步推导。

我们知道,法国化学家Dulong因提出物理学中描述结晶态固体由于晶格振动而具有的比热容定律而著名,但在热力工程领域,他所设计的一个研究固体燃料热值的经验公式更为人所熟知。该公式在燃煤燃烧领域的应用在历史上已被多次修正改进,这些应用均为气相燃烧条件下的,能否用在液相氧化,颇有疑问。

笔者采用了在自热式高温好氧消化设计中的一个参数来进行评估。根据文献,破坏每公斤有机质的产热量是20000 kJ(《废水工程处理及回用》第四版第1110页),专利所言的每升200大卡热量,所需降解的有机质量就是42克,液体的有机质浓度只需4.2%。按照专利描述,稳定化反应可能是在3-4 MPa下的液相中进行的,取中值,3.5MPa的饱和水温度大约是242.6度,焓为250.69 kcal/kg140度下的饱和水焓为140.7,这意味着达到设计温度所需的110 kcal热量,要由有机质氧化的自热反应来提供,即相当于55%的有机质需要被氧化反应掉。

前面已经指出,本工艺的供氧量在1-6ppm级,较之Athos工艺有万倍之差,后者在更高的压力和纯氧条件下,才有56%的反应率,前者何以能实现类似的湿式氧化效率,实在匪夷所思。

采用第二种方法,设有机质通式为CH2NH2COOH(胨),该物质在高温、高压条件下水解,形成醋酸和碳酸铵,在足够供氧量条件下,醋酸与氧反应,生产二氧化碳和水。

从化学反应方程式可知,要让1000克有机质全部氧化,需要639.4克的纯氧,此时生成879.2克二氧化碳,并产生119.9克水。

以专利的给氧量最高值6 ppm计算,即使氧气100%反应掉,所可能造成的有机质氧化所能放出的热量,只能把料液提升0.04度(以料液干基浓度15.6%计算)。

显而易见,如果仅有几个ppm级的氧化,HiROS工艺不可能有湿式氧化效果,哪怕是“部分”的。如果要有“部分”的湿式氧化,一定不是ppm级的。因而,氧化剂类型和添加量可以成为重要的判断依据。如果是以空气为氧化剂的,如果溶氧当量低,湿式氧化是不可能的。既然没有湿式氧化效果,所谓“放热反应”也就成了想当然的一个假设而已。

 

4、  关于工艺流程

明白了HiROS工艺其实是再明显不过的“热水解”,对工艺的理解和计算就不难了。

根据专利描述,笔者进行了如下推断,并对工艺参数取值如下:

1)           压力温度范围:给出的稳定釜温度在140-300度,压力7-77公斤;给出的活化釜温度同,压力3-74公斤。参考其它类似工艺的取值,笔者认为其稳定釜的真实压力不会超过40公斤,活化釜也不会超过20公斤;计算时分别采用了两组取值:3.8 MPa1.65 MPa3.6 MPa1.8 MPa

2)           供氧浓度:假设为600ppm,氧化剂为空气,假设氧气反应率100%

3)           稳定釜压力高于活化釜,意味着稳定釜会有部分热量剩余,在进入活化釜前需要用掉或散掉,较为常见的做法是用于加热稳定釜的进料料液;因此需要一个换热器;

4)           进料、配料分多个阶段进行,有的是在污泥调配稀释时,有的是在稳定釜加料时,有的是在活化釜加料时,所有这些开口的存在,意味着加料过程很可能为常压,特别是第一段调配;此外,稳定釜、活化釜、闪蒸器均可能产生闪蒸汽,需要收集,多来源、单向利用,意味着收集系统也可能是常压,此外看到其脱水的冷凝水也进入此系统,因此可以假设,用于调配的热水为常压,温度可取95度;

5)           由于调配热水为95度,需要将大量料液升温加热,但所能升温幅度会非常有限。比较可行也比较简单的做法是,将一部分经过稳定釜处理的高温料液回混到新料液中;

6)           考虑到混合器的功能复杂,需要完成各种固体、液体的混配,判断此容器亦应为常压,设出口温度为97度;

7)           稳定釜的加热形式可能是一个技术瓶颈,出于压力考虑,采用夹套方法制造难度较大,金属壁厚增加,会严重影响传热效果。采用外置换热器是一种选择,但类似设备在美国也属于新开发;专利中的一个实例提及,稳定釜采用高温线圈进行电加热。这里假定是采用电加热。

8)           活化釜因有添加物料的需要,须是可加热的,鉴于压力较低,可采取设夹套的方法。从反应温度看,活化釜的加热以导热油为唯一适宜的工质。

9)           从稳定釜出来的物料,要降温到反应釜所需水平,放热端有近50度的温差,采用单级换热器换热恐怕难以实现,因此考虑设第二个预热器,用于对调配物料进行初步加热;

      

 

设想流程如下:

发表评论

最新评论

引用 ray 2012-5-20 09:01
愚公疑煽: 在泥客庄主博客上这家公司的人还发明了一个著名的新物理现象"耐克现象",笑死人了!国人的创造性真是太绝了!
还真不知道有这个现象,倒是知道有个耐克品牌
引用 愚公疑煽 2012-5-11 13:57
在泥客庄主博客上这家公司的人还发明了一个著名的新物理现象"耐克现象",笑死人了!国人的创造性真是太绝了!

查看全部评论(2)

验证码 换一个

相关分类

Archiver|iHUANJING 2012 ( 京ICP备16039619号-2 

GMT+8, 2017-12-14 17:59 , Processed in 0.030953 second(s), 17 queries .

Powered by Discuz! X2 Licensed

© 2001-2011 Comsenz Inc.

回顶部